쿠버네티스 개념과 구조

2025년 03월 10일 wychoi

1. Kubernetes 개념

Kubernetes(쿠버네티스)는 컨테이너화된 애플리케이션을 자동으로 배포, 스케일링 및 운영할 수 있도록 지원하는 컨테이너 오케스트레이션 도구입니다. Google이 내부적으로 사용하던 Borg 시스템에서 발전하여 2014년에 오픈소스로 공개되었습니다. 현재 CNCF(Cloud Native Computing Foundation)에서 관리하고 있으며, 클라우드 및 온프레미스 환경에서 컨테이너 워크로드를 효율적으로 운영할 수 있도록 도와줍니다.

(1) Kubernetes의 주요 역할

컨테이너 오케스트레이션: 컨테이너의 배포, 업데이트, 확장, 복구 등을 자동으로 관리
자동화된 스케일링: 트래픽 부하에 따라 자동으로 컨테이너 개수를 조정
자체 치유(Self-Healing): 장애가 발생한 컨테이너를 자동으로 재시작하거나 대체
로드 밸런싱 및 서비스 디스커버리: 여러 개의 컨테이너 간 트래픽을 자동으로 분배
자동 롤링 업데이트 및 롤백: 애플리케이션을 중단 없이 배포 및 업데이트 가능
리소스 최적화: 클러스터의 CPU, 메모리 등을 최적으로 배분하여 사용

(2) Kubernetes에서 애플리케이션을 배포하고 관리하기 위해 사용하는 리소스

Pod (파드)
- 컨테이너의 최소 실행 단위
- 하나의 Pod 안에 여러 개의 컨테이너가 존재할 수 있으며, 같은 네트워크와 볼륨을 공유
Deployment (디플로이먼트)
- 애플리케이션 배포 및 업데이트를 관리하는 리소스
- 여러 개의 Pod를 자동으로 생성하고 관리 (ReplicaSet을 통해 Pod 복제본 유지)
Service (서비스)
- 클러스터 내에서 실행 중인 Pod들에 대해 네트워크 접근을 제공
- 로드 밸런싱 및 서비스 디스커버리를 지원
ConfigMap & Secret
- ConfigMap: 환경 변수, 설정 파일 등을 Pod에 주입하기 위한 객체
- Secret: 비밀번호, API 키 등 민감한 정보를 안전하게 저장하는 객체
Namespace
- 하나의 클러스터를 여러 개의 논리적 그룹으로 나누어 리소스를 격리

2. Kubernetes 구조

Kubernetes는 클러스터(cluster) 기반으로 동작하며, 주요 구성 요소는 Control Plane과 Worker Node로 나뉩니다.

(2) Control Plane(제어 플레인)

클러스터를 관리하고 제어하는 역할을 수행하는 핵심 컴포넌트로 구성됩니다.

① API Server (kube-apiserver)

Kubernetes의 모든 요청을 처리하는 중앙 API 엔드포인트
사용자, 클러스터 내부 서비스 등이 이 API를 통해 클러스터와 상호작용

② Controller Manager (kube-controller-manager)

클러스터 상태를 모니터링하고 원하는 상태를 유지하기 위해 다양한 컨트롤러를 실행
예: 레플리카셋 컨트롤러(ReplicaSet), 노드 컨트롤러(Node Controller)

③ Scheduler (kube-scheduler)

새로운 Pod가 생성되었을 때 적절한 Worker Node에 배치하는 역할
노드의 리소스 사용량, QoS 정책 등을 고려하여 배치

④ etcd (Key-Value Store)

클러스터의 모든 상태 정보를 저장하는 분산 저장소
매우 중요한 데이터 저장소이므로 백업이 필수

(3) Worker Node (작업 노드)

컨테이너가 실행되는 노드로, 애플리케이션이 동작하는 실제 작업 환경입니다.

① Kubelet

각 Worker Node에서 실행되며, Control Plane과 통신하며 컨테이너 상태를 관리
Pod 스펙을 API Server에서 받아 컨테이너를 생성, 실행, 모니터링

② Kube Proxy

각 노드에서 네트워크 규칙을 관리하며, 서비스 간 통신을 가능하게 함
로드 밸런싱 및 클러스터 네트워킹 역할 수행

③ Container Runtime (컨테이너 런타임)

실제 컨테이너를 실행하는 역할
Docker, containerd, CRI-O 등의 런타임을 지원

(4) Workloads (워크로드)

Kubernetes에서 워크로드(Workload)는 클러스터에서 실행되는 애플리케이션을 의미합니다.
워크로드는 단순한 단일 컨테이너부터 여러 개의 복잡한 애플리케이션을 포함할 수 있으며, Kubernetes에서는 이를 다양한 리소스를 활용해 관리합니다.

① Pod (파드)

Kubernetes에서 컨테이너 실행의 기본 단위
하나 이상의 컨테이너를 포함할 수 있으며, 동일한 네트워크 네임스페이스를 공유
같은 Pod 내 컨테이너들은 localhost로 서로 통신 가능
기본적으로 휘발성(Volatile) 상태 → 영속적 데이터 저장을 위해 Persistent Volume(PV) 사용

② ReplicaSet (레플리카셋)

여러 개의 Pod 복제본(Replica)을 유지
특정 Pod가 사라지면 자동으로 새로 생성하여 원하는 개수 유지
보통 Deployment에서 자동으로 생성하여 관리

③ Deployment (디플로이먼트)

ReplicaSet을 관리하여 애플리케이션을 배포 및 업데이트
롤링 업데이트(Rolling Update), 롤백(Rollback) 기능 지원
애플리케이션을 점진적으로 배포하고 다운타임 없이 업데이트 가능

④ StatefulSet (스테이트풀셋)

**상태(Stateful)**를 가지는 애플리케이션을 위한 워크로드
각 Pod에 고유한 **네트워크 ID(hostname)**와 Persistent Volume을 할당하여 유지
DB, Zookeeper, Kafka 등 상태를 유지해야 하는 애플리케이션에 사용

⑤ DaemonSet (데몬셋)

모든 Worker Node에서 특정 Pod가 실행되도록 보장
Node가 추가되면 자동으로 새로운 Pod가 실행됨
로그 수집, 모니터링 에이전트(Fluentd, Prometheus, Filebeat 등)에 사용

⑥ Job (잡)

한 번 실행된 후 종료되는 작업 수행
배치 작업, 데이터 처리 등에 활용
예: “파일을 변환한 후 S3에 업로드하는 작업”

⑦ CronJob (크론잡)

스케줄링된 작업을 주기적으로 실행
Linux의 cron과 유사하며, */5 * * * * 같은 표현으로 주기를 설정
백업, 로그 정리, 데이터 동기화 작업 등에 사용

(5) Kubernetes 네트워크 (Networking)

Kubernetes에서는 다양한 네트워크 컴포넌트를 활용하여 클러스터 내/외부 통신을 제공합니다.
네트워크는 Pod 간 통신, Service 간 통신, 외부에서 접근을 위한 여러 계층으로 구성됩니다.

Kubernetes 네트워크 모델

모든 Pod는 고유한 IP를 가짐
같은 네임스페이스가 아니라도 Pod 간 통신이 가능
네트워크 계층을 통해 클러스터 내부 및 외부와 통신 가능

Kubernetes 네트워크 주요 컴포넌트

① Pod 간 통신 (Pod-to-Pod Networking)

Kubernetes에서는 모든 Pod가 고유한 IP를 가짐
같은 Node 또는 다른 Node의 Pod끼리도 별도의 NAT 없이 직접 통신 가능
네트워크 플러그인(CNI)을 사용하여 구현됨 (Calico, Flannel, Cilium 등)

② Service (서비스)

Pod의 IP가 동적으로 변경되는 문제를 해결하기 위한 엔드포인트
클러스터 내부에서 안정적인 네트워크 접근을 제공
서비스 유형:
- ClusterIP: 내부 네트워크에서만 접근 가능 (기본값)
- NodePort: 모든 노드에서 특정 포트로 서비스 접근 가능
- LoadBalancer: 클라우드 제공 로드 밸런서를 통해 외부 접근 가능
- ExternalName: DNS를 통해 외부 서비스를 참조

③ Ingress (인그레스)

외부에서 HTTP/HTTPS 요청을 특정 서비스로 라우팅하는 역할
보통 Ingress Controller(NGINX, Traefik 등)와 함께 사용
TLS 인증서를 적용하여 HTTPS 트래픽을 처리 가능

④ Network Policy (네트워크 정책)

Pod 간 트래픽을 제어하여 보안 설정 가능
예: 특정 네임스페이스의 Pod만 DB에 접근하도록 설정

⑤ CNI (Container Network Interface)

Kubernetes에서 네트워크를 설정하는 플러그인
주요 CNI 플러그인:
- Calico: 네트워크 정책 및 보안 기능 제공
- Flannel: 간단한 오버레이 네트워크 제공
- Cilium: eBPF 기반 고성능 네트워크 지원

컴포넌트	설명
Pod-to-Pod Networking	클러스터 내에서 Pod 간 통신을 가능하게 하는 네트워크
Service	Pod의 IP가 동적으로 변경되므로, 지속적인 접근을 위한 네트워크 엔드포인트 제공
Ingress	외부에서 클러스터 내부의 서비스로 접근할 수 있도록 하는 역할 (L7 HTTP/HTTPS)
Network Policies	네트워크 트래픽을 제어하여 보안 설정을 강화
CNI (Container Network Interface)	Kubernetes에서 네트워크 플러그인을 사용하여 네트워크 설정을 구현

3.Kubernetes 작동 방식

사용자가 kubectl과 같은 명령줄 도구를 사용하여 클러스터에 애플리케이션 배포를 요청합니다.
Kubernetes 컨트롤 플레인은 요청을 받아 파드를 생성하고 적절한 노드에 할당합니다.
각 노드의 kubelet은 할당된 파드를 실행하고 해당 컨테이너를 관리합니다.
서비스는 파드 그룹에 대한 안정적인 네트워크 액세스를 제공하여 외부 또는 내부 클라이언트가 애플리케이션에 접근할 수 있도록 합니다.
네임스페이스는 클러스터 내부의 리소스를 논리적으로 분리하여 여러 팀 또는 애플리케이션이 동일한 클러스터를 공유할 수 있도록 합니다.